碳酸盐对全球土壤中矿物结合有机碳储量和容量的限制

《Science Bulletin》：Carbonate-related limitations on mineral-associated organic carbon stocks and capacity in global soils

　　

摘要

矿物结合态有机碳（MAOC）是土壤碳库中最稳定的组成部分，对维持长期气候稳定性至关重要。然而，在全球约30%陆地表面覆盖的石灰性土壤中，其储量、分布格局及稳定化机制在当前的碳循环评估中仍未得到充分量化。本研究采用机器学习模型，结合涵盖1972个土壤样本的全球综合数据集，定量评估了碳酸盐（CaCO₃）对MAOC储量和表观容量的限制作用。结果表明，石灰性土壤（CaCO₃ ≥1%）仅储存93 Pg C的MAOC，仅占全球MAOC库的19%，而非石灰性土壤储存402 Pg C。石灰性土壤的MAOC容量（357 Pg C）也显著低于非石灰性土壤（1262 Pg C）。研究进一步发现，净初级生产力和干燥度指数是石灰性土壤中MAOC分布的主导统计预测因子，而在非石灰性区域，粉粒和黏粒组分则是主要决定因素。这些发现强调，迫切需要将CaCO₃限制明确纳入地球系统模型，并制定优化土地管理策略以增强石灰性区域的碳固存能力。

引言

土壤有机碳（SOC）是最大且最重要的陆地碳库，超过大气和植被碳储量之和[1]。在该碳库中，矿物结合态有机碳（MAOC）尤为关键，因其具有较长的驻留时间并对大气二氧化碳（CO₂）浓度有强烈的调节作用，从而对气候反馈机制产生深远影响[2]。尽管MAOC具有全球重要性，但在占全球陆地面积近三分之一、主要覆盖干旱和半干旱区域的石灰性土壤中，其动态特征仍受到限制且表征不足[3], [4]。这一知识空白给全球碳循环预测带来了显著的不确定性。碳酸钙（CaCO₃）在有机碳稳定化中的作用本质上是复杂的，且看似矛盾。一方面，CaCO₃溶解释放的Ca²⁺离子可通过阳离子桥接促进有机-矿物结合，这是MAOC形成的经典机制[5], [6]。另一方面，次生CaCO₃的积累可能包覆矿物表面，从而阻塞反应位点，降低有机碳吸附效率[3], [7]。此外，CaCO₃富集会提高土壤pH、改变微生物群落结构并加速有机碳分解[8]。这些相反的机制可能最终使CaCO₃的整体效应从促进MAOC积累转变为抑制MAOC积累，尽管控制这一转变的机制条件在全球尺度上仍未得到解决。

这种微观尺度的机制不确定性转化为宏观尺度上显著的知识空白。近年来的研究进展强调了矿物-有机相互作用在调节土壤碳稳定性中的关键作用[9]。值得注意的是，土壤pH变化可以改变金属结合态有机碳的相对优势，从而导致有机碳稳定性在不同环境梯度下产生不对称响应[10]。在全球尺度上，MAOC的分布主要受矿物学组成、气候条件和植被生产力控制[11], [12], [13], [14], [15]。相反，石灰性土壤表现出独特的生物地球化学特性，可使MAOC的形成与这些经典预测因子解耦[16], [17], [18], [19]。当前的全球碳模型通常未明确考虑碳酸盐相关的限制，可能导致对石灰性土壤中有机碳储量的系统性高估，以及对其气候变化响应的不准确预测。

为弥补这些空白，本研究将区域采样与全球数据综合相结合，建立了涵盖多样化陆地生态系统、CaCO₃梯度和气候条件的MAOC综合数据库。随后，开发了广义线性模型和机器学习模型，以阐明CaCO₃在MAOC动态中的作用，量化其对MAOC储量和容量的影响，并识别石灰性土壤与非石灰性土壤中MAOC分布的主导驱动因子。本研究假设：（1）CaCO₃通过占据矿物吸附位点并改变表面特性来降低MAOC的负载容量；（2）MAOC的空间异质性受不同的交互机制控制，这些机制在石灰性和非石灰性土壤之间存在差异。本研究提供了全球尺度上碳酸盐相关限制对MAOC储量和表观容量的定量评估，从而为改进碳循环模型和土地管理策略提供了关键的机制见解。

章节片段

区域土壤采样与实验室分析

共采集了中国不同地区的270个土壤样本（图S1，在线）。使用便携式GPS设备记录了每个采样点的精确地理坐标，同时从WorldClim v.2数据库获取相关气候变量以支持后续空间和气候分析（https://www.worldclim.org）。在每个点位，使用不锈钢土钻从0–30 cm深度间隔采集土壤。在每个50 m × 50 m样地内，采集六个子样本

碳酸钙与矿物结合态有机碳之间的负相关关系

对中国五个主要气候区（80°–127°E；26°–48°N）的全国尺度分析表明，含有≥1% CaCO₃的土壤与CaCO₃含量<1%的土壤相比，其MAOC水平显著较低（图1a）。随着CaCO₃含量增加，MAOC浓度持续降低，从而降低了黏粒组分的有机碳负载容量（定义为每单位质量黏粒颗粒结合的碳量）（图1a, e）。全球荟萃分析证实

讨论

本研究表明，CaCO₃的存在与MAOC储量和表观MAOC容量之间均存在一致的负相关关系，这在全球观测数据集、边界线分析和空间建模中均得到证实。这些模式突出了石灰性土壤中碳酸盐相关限制对MAOC积累的重要作用。然而，CaCO₃积累抑制MAOC稳定化的潜在过程和具体机制无法在

结论

本研究提供了全球尺度上CaCO₃与MAOC储量和表观容量变化之间关联的评估，从而通过明确整合碳酸盐效应扩展了现有的MAOC容量框架。我们的研究结果表明，石灰性土壤的MAOC储量和表观容量显著低于非石灰性土壤，强调了在全球范围内碳酸盐的存在与MAOC积累之间存在稳健的负相关关系

利益冲突

作者声明不存在利益冲突。

致谢

本研究受国家重点研发计划（2023YFD1901001）、国家自然科学基金（42177292）、中国农业产业技术体系专项资金（CARS-03和CARS-52）以及中国科学院基础研究青年科学家项目（YSBR-108）资助。

作者贡献

杨曦、马东浩、梁玉婷和张佳宝设计了研究。杨曦、马东浩、张永琪和张楠执行了研究。杨曦、

杨曦|马东浩|梁玉婷|陈琳|杨婷|张永琪|张楠|邹洪涛|张聪智|周桂香|周艳芳|周集中|张佳宝